作者与发表信息
本文是一篇综述文章，作者为Wei Bao、Junyan Liu、Chengcheng Du等，主要研究机构包括重庆医科大学附属第一医院骨科、重庆市肌肉骨骼再生与转化医学重点实验室，以及香港中文大学生物医学工程系。该文发表于 Materials Today Bio 期刊2025年第34卷，文章编号102222，于2025年8月20日在线发表，属于“ECR Board”特刊的一部分。
文章主题与核心观点
本文系统综述了3D打印技术在骨骼肌芯片（skeletal muscle-on-a-chip, SMOC）模型构建中的当前应用、技术路径、面临的挑战及未来前景。文章的核心论点是：3D打印技术通过高精度的逐层制造能力，不仅能构建微流控芯片的复杂结构，还能利用生物墨水进行三维生物打印，从而改善芯片内的细胞微环境；尽管目前SMOC的发展仍处于早期阶段，但3D打印已成为推动该领域发展的关键技术之一。以下分别阐述文章的主要观点及其支持论据。
观点一：3D打印在SMOC构建中承担芯片支架制造与生物打印双重功能，且有三种主要实现路径。
文章指出，3D打印在SMOC构建中有两个核心应用层面：一是制造微流控装置（芯片支架），二是利用生物打印构建芯片内的组织成分。针对芯片支架的构建，文章提出了三种主要技术路径。第一种是利用工业级3D打印直接制造芯片结构，这种方式支持精确的结构设计和物理性能调节（如硬度、强度），但不适合大规模生产且成本较高。第二种是利用生物打印技术辅助构建含细胞支架，生物墨水本质上是多组分水混合物，可在芯片制造过程中模拟三维培养环境并辅助细胞定位，适合构建软组织器官芯片模型，但其缺点是水凝胶等材料的机械强度较低，打印精度和细胞活力在部分情况下受限。第三种是先利用具有足够强度的材料3D打印预设计的支架模具，再将具有优良生物相容性的水凝胶或聚二甲基硅氧烷（PDMS）注入模具中，经充分成型后通过翻模获得软质芯片支架；该方法中软质模具可重复使用，后续浇铸工艺相对简单，能显著降低实验成本。文章以多项研究为例支撑上述观点：Agrawal等人利用两个生物惰性水凝胶柱包围载细胞凝胶网络，诱导细胞单轴排列并作为锚定点；Li Wan等人利用热响应聚合物和微铣削技术在三维合成肌肉细胞外基质（ECM）中构建模板，将C2C12成肌细胞整合到三维胶原基质中，恢复了具有分层结构的骨骼肌组织血管化特征。
观点二：SMOC的构建需从细胞来源、芯片培养条件、针对骨骼肌特性的改良等多个维度进行系统考量。
文章详细讨论了SMOC构建的四个核心方面。在细胞来源方面，原代细胞、细胞系（如C2C12、L6）、间充质干细胞（MSCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）各具优缺点：原代细胞最接近生理状态但增殖能力差且个体差异大；细胞系易于获取和扩增、实验重现性高，但可能存在去分化现象和功能受限；MSCs具有多向分化潜能和免疫调节特性，但分化成熟度有限；iPSCs可构建患者特异性模型且适合疾病建模，但分化方案复杂且成本高。在芯片培养条件方面，骨骼肌具有高代谢和高氧需求的特点，其高度血管化结构和神经支配特性要求芯片系统必须提供机械力与代谢支持之间的动态平衡。Dornhof等人开发的微流控器官芯片平台集成了电化学、化学和生物传感器，可实时监测氧、乳酸和葡萄糖等能量代谢物的消耗与产生速率，为SMOC中代谢监测提供了重要参考。在针对骨骼肌特性的改良方面，文章强调骨骼肌的运动功能是其区别于其他器官的最显著特征，在芯片上再现肌肉运动本质上需要模拟从神经冲动到肌肉收缩与舒张的整个过程。Grosberg团队将细胞种植到3D打印的器官芯片上，证明了在同一芯片上分析横纹肌和平滑肌收缩的可行性。此外，骨骼肌的电生理特性（静息膜电位、动作电位、兴奋-收缩耦联等）也是SMOC构建的重要组成部分，Mendes团队设计的GelMA/GO水凝胶系统通过施加不同的电刺激方案，利用生物材料支架的固有电学特性调控细胞行为；Kalmykov团队使用三维自卷曲生物传感器阵列实现了对心肌球体的多通道场电位记录和同步钙成像。
观点三：3D打印在工程化骨骼肌研究中已积累较多经验，为SMOC的发展提供了重要技术基础。
文章指出，当前3D打印在骨骼肌相关研究中的应用主要集中在工程化骨骼肌的开发上。工程化骨骼肌与SMOC的核心区别在于：前者侧重于体外重建天然骨骼肌的结构与功能，后者则在模拟结构与功能的基础上，进一步利用微流控系统和芯片的精细结构来复现骨骼肌的生理微环境，并支持与其他组织的整合研究。在工程化骨骼肌研究中，静电纺丝是与3D打印结合最常用的技术之一，两者的结合可增强打印材料的表面生物活性并有效引导细胞的有序排列。Miji团队结合静电纺丝与3D打印技术设计了具有肌肉组织特性和微血管样结构的工程化骨骼肌，其中静电纺丝促进了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）向细长微血管样结构的转化，并增强了C2C12细胞的排列及肌源性基因标志物的表达。该团队后续开发的基于电流体动力学直写（EHD-DW）的新型细胞打印技术，使用海藻酸盐作为生物墨水组分并加入纤维蛋白以增强生物活性，打印结果显示出肌源性与内皮细胞之间更明显的协同效应，促进了肌管成熟。Wonjin团队利用金纳米线与外加电场相结合加速细胞排列并模拟肌肉组织的电学特性，所构建的工程化骨骼肌表现出更有序的肌动蛋白纤维和更多多核肌管。Gi Hoon团队则进一步将4D打印概念引入工程化骨骼肌构建，利用GelMA的溶胀特性使载细胞纤维卷曲，模拟天然骨骼肌的管状结构，并促进成肌细胞增殖和肌源性分化。
观点四：基于3D打印的SMOC已在疾病建模、药物筛选与评估、遗传研究和多器官相互作用四个应用领域展现出潜力。
在疾病建模方面，Alave等通过改进3D打印技术开发了含有人原代肌肉前体细胞的微型骨骼肌器官芯片，并发现咖啡因和tirasemtiv等肌肉刺激剂可急性增强骨骼肌模型的收缩力；Theo等利用SLA打印技术和可拉伸PDMS支架构建了首个可对人原代肌细胞施加单轴机械应力的体外模型。在神经肌肉接头相关疾病建模中，Virginia M团队利用iPSCs来源的运动神经元和骨骼肌成肌细胞构建了重症肌无力模型，发现神经肌肉接头功能随抗烟碱型乙酰胆碱受体抗体浓度的增加呈剂量依赖性变化。在药物筛选与评估方面，Elena等利用健康供体和杜氏肌营养不良（DMD）患者的原代成肌细胞构建SMOC，验证了人mesoangioblasts对DMD的治疗效果；Tatsuya等设计了神经肌肉芯片用于神经肌肉疾病的药物筛选，利用散发性肌萎缩侧索硬化患者来源细胞构建了疾病模型芯片。在遗传研究方面，Groen等结合3D模具和shRNA技术在芯片系统中重现了DMD和肢带型肌营养不良2A型（LGMD2A）的病理特征，并验证了微肌营养不良蛋白基因治疗的部分有效性；Maddalena等将16个SMOC集成到自主Cubelab中送往国际空间站，通过转录组分析揭示了微重力条件下肌球蛋白重链和轻链相关基因的下调。在多器官相互作用方面，Kacey等开发了通过血管流连接的模块化多器官芯片系统，将心脏、肝脏、骨骼肌和皮肤芯片依次连接；Aakash等构建了包含肝细胞、心肌细胞、骨骼肌细胞和前Bötzinger复合体神经元的四器官芯片模型，用于评估阿片类药物与纳洛酮联合用药的疗效和脱靶毒性。
观点五：3D打印在SMOC中的应用面临打印性能、材料选择、功能设计和评估体系四个方面的挑战，未来需借助4D打印和人工智能等多学科融合加以突破。
文章指出，当前3D打印技术虽能构建毫米级结构，但其分辨率仍不足以制造需要细胞级排列的骨骼肌精细组织；打印材料的生物相容性和力学性能有待进一步改善；芯片的功能化和动态模拟能力需要增强。针对这些挑战，文章提出了四个改进方向：在打印性能上，升级打印技术或引入多喷嘴系统以提高分辨率和速度；在材料选择上，开发兼具更高生物相容性和力学性能的材料，以更好地模拟骨骼肌微环境并支持可打印性；在功能设计上，重点整合动态模拟技术以实现多器官相互作用；在评估体系上，引入更精确的检测和分析技术以更有效地评估SMOC功能。文章进一步展望，4D打印技术将为SMOC系统带来在时间维度上自调节和变形的能力，使其从静态模型向能响应不同环境和刺激的复杂系统演进；人工智能和深度学习技术将在器官模型设计与3D打印过程中发挥革命性作用，通过自动化设计优化骨骼肌器官的微观结构，利用实时数据分析动态调整打印参数以提高制造精度，并推动多器官芯片研究的发展。
论文的意义与价值
本文作为一篇针对3D打印与骨骼肌芯片交叉领域的系统性综述，其价值主要体现在三个方面。第一，在学术层面，该文梳理了从器官芯片技术、工程化骨骼肌到SMOC的技术演进路径，厘清了工业级3D打印与3D生物打印在SMOC构建中的不同功能定位，并总结了三种芯片支架构建策略，为该领域研究者提供了系统的技术路线参考。第二，在应用层面，文章从疾病建模、药物筛选、遗传研究和多器官相互作用四个维度展示了当前基于3D打印的SMOC的应用实例，涵盖杜氏肌营养不良、重症肌无力、肌萎缩侧索硬化、微重力相关肌肉变化等多种疾病和生理状态，为相关疾病的体外研究提供了可借鉴的模型建构思路。第三，在前瞻层面，文章明确指出了该领域当前面临的技术瓶颈，并给出了打印性能、材料选择、功能设计和评估体系四个具体的改进方向，同时将4D打印、人工智能和深度学习纳入未来发展的关键技术路径，为后续研究提供了清晰的指引。尽管SMOC研究目前仍处于早期阶段，但该综述的分析表明，随着3D打印技术与多学科方法的持续融合，SMOC有望在骨骼肌相关疾病的诊断与治疗中发挥日益重要的作用，推动精准医学和再生医学的进一步发展。